광촉매 Ta2O5와 Melamine을 이용한 TaON의 합성과 가시광선 하에서의 메틸렌블루 광촉매 분해

Abstract

고도의 산업사회가 진행되었고, 이에 따라 발생하고 있는 환경오염 문제와 함께 생산되는 화학물질은 환경과 인간의 건강에도 큰 영향을 끼친다. 이러한 오염에 대한 정화 기술에는 물리학적, 생물학적, 화학적 처리 방법 등 다양한 방법들이 개발되고 있으며, 본 연구에서는 화학적 처리 방법 중 하나인 광촉매를 이용하는 오염물질 산화 방법에 대해 연구하였다. 광촉매는 주로 파장의 영역이 낮은 UV 램프로 반응을 시킬 때 효과 적이지만, 본 연구에서는 파장의 영역이 넓은 가시광선 영역에서 반응 할 수 있는 광촉매를 합성하였다. 본 연구의 목적은 광촉매 Ta2O5를 Melamine과 함께 소성시켜 TaON을 합성하고, 이를 메틸렌블루(Methylene Blue)의 성질을 이용하여 가시광선 하에서의 최적의 광촉매 활성 환원 조건을 찾는 것으로 광촉매물질의 상태에 따른 연구이다. 먼저, Ta2O5를 Melamine과 함께 800℃에서 소성시켜 TaON을 합성하였다. 합성 방법은 Furnace에서 질소를 베이스 가스로 Ta2O5를 Melamine과 함께 반응 시켰다. 이 때 암모니아 가스를 만들어 낼 수 있는 Melamine의 비율=N{(in Melamine)/Ta(in Ta2O5)}을 달리 하여 여러 종류의 TaON를 합성하였다. N은 1, 2, 4, 6, 8, 10, 15 이렇게 7가지로 Melamine의 비율을 높여가며 광촉매를 합성하였다. 제조된 촉매들의 특성분석을 위하여 X선 회절장치(XRD, Bruker AXS D8-Adcance), UV-vis doffise reflectance spectroscopy(DRS) (Varian Cary 100), 주사전자현미경(FE-SEM, JEOL JSM-6500), Transmission Electron Microscope(JEOL, JEM-2010) 및 X-선 광전자 분광기 (X-ray photoelectron spectrometer : XPS, ESCA 2000)을 사용하여 분석하였다. 합성된 TaON을 메틸렌 블루 수용액을 이용하여 가시광선 하에서 광활성을 체크해 보았다. 메틸렌 블루가 환원되어 로이코 메틸렌 블루가 되어 무색투명한 용액으로 바뀌는 성질을 이용하였고, 용액의 색깔을 확인 하는 것으로 광촉매의 환원반응을 확인할 수 있었다. 용액의 색깔은 UV-vis 흡광도 분석으로 반응 전 후의 흡수 스펙트럼을 측정하여 정확한 농도를 확인하였다. 광촉매 활성의 최적의 조건을 찾기 위해 메틸렌 블루 수용액의 농도, 광촉매의 양, 반응시간을 조절하여 실험하였다. 합성된 광촉매 별 실험 결과, 실험에 사용한 광촉매 중 멜라민과 Ta2O5이 10배 비율로 합성된 TaON이 가장 좋은 광촉매 활성을 나타냈다. 반응 조건을 달리한 실험에서는 반응 조건이 달라지면 TaON의 광촉매로서의 활성에 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다.